Naukowcy identyfikują sterole niezbędne do akumulacji oleju w roślinach

Naukowcy, którzy chcą rozwikłać szczegóły, w jaki sposób rośliny produkują i gromadzą olej, zidentyfikowali kluczowy nowy element linii montażowej. Odkryli specyficzny sterol – cząsteczkę związaną z cholesterolem – która odgrywa kluczową rolę w tworzeniu kropelek oleju.

„Badania te znacznie poszerzają naszą wiedzę na temat czynników molekularnych, które rządzą powstawaniem Tłuszcze krople w sprayuSą to niezbędne organelle do przechowywania i metabolizmu oleju u wszystkich eukariontów, powiedział Changqing Xu, biolog z Brookhaven National Laboratory w amerykańskim Departamencie Energii, który prowadził badanie. Połączenia z naturą, może sugerować nowe sposoby inżynierii zawartości oleju w różnych tkankach roślinnych.

Praca może mieć szczególne znaczenie dla informowania o strategiach inżynierii genetycznej ukierunkowanych na zwiększenie zawartości oleju w liściach i łodygach. te tkanka roślinna Jak twierdzą naukowcy, oleje zwykle się nie akumulują, ale można je wykorzystać jako obfite źródło zrównoważonych olejów do produkcji biopaliw i innych produktów towarowych.

Wyniki dotyczą również gromadzenia się oleju w nasiona roślin, Główne miejsce, gdzie oleje gromadzą się naturalnie w roślinach. Te naturalne zbiorniki olejów roślinnych dostarczają pożywienia zarodkom i sadzonkom roślin, a także zwierzętom i ludziom.

„Odkryliśmy, że niedobór pewnego rodzaju sterolu powoduje zmniejszenie gromadzenia się oleju w nasionach i liściach” – powiedział Xu.

Produkcja zielonego oleju lekkiego

Xu i jego zespół od lat pracują nad zwiększeniem gromadzenia się oleju w liściach i łodygach roślin.

„Liście w porównaniu z nasionami są bardziej obfite jako potencjalny materiał bioenergetyczny” – zauważył. „Ponadto, ponieważ olej z nasion jest używany do żywności, układamy olej i inne bioprodukty w nienasiennych częściach roślin – takich jak liście i łodygi – aby uniknąć konkurencji między żywnością a paliwem”.

Zespół poczynił pewne postępy w Sprawianie, że papiery gromadzą duże ilości oleju, przy użyciu wspólnego laboratorium Arabidopsis.

Opracowali elegancki sposób śledzenia gromadzenia się oleju. Dzięki inżynierii genetycznej stworzyli rośliny Arabidopsis, w których zielone białko fluorescencyjne Jest zawsze związany z białkiem zwanym oleocyną. Oleozyna gromadzi się tylko na powierzchni kropelek lipidowych. Stanowi część membrany otaczającej wewnątrzkomórkowe części magazynujące olej, aby pomóc w ich stabilizacji. Jeśli próbka tkanki roślinnej – liści, łodyg lub nasion – zawiera kropelki sebum, pod mikroskopem fluorescencyjnym wyróżniają się one jako maleńkie zielone kropki.

„Potraktowaliśmy rośliny Arabidopsis mutagenem, aby spróbować wywołać mutacje, które zwiększyłyby gromadzenie się oleju” – powiedział Xu, używając techniki fluorescencji do identyfikacji szczepów z większą liczbą i/lub większymi zielonymi plamami.

Jak na ironię, dokonali odkrycia steroli w szczepie Arabidopsis, który prawie nie gromadził oleju.

„Głównym celem obecnej pracy było ustalenie, która modyfikacja genetyczna spowodowała to znaczne zmniejszenie gromadzenia się oleju” – powiedział Shaw. „Pomyśleliśmy, że śledzenie tego genu może dać nam nowe geny/białka ważne w tworzeniu lub akumulacji kropelek lipidów”.

Dowód na montaż wewnętrzny

Na poziomie mikroskopowym naukowcy wiedzą, że kropelki lipidów tworzą się w „retikulum endoplazmatycznym” lub ER komórek. Jest to wewnętrzna sieć błon wewnątrzkomórkowych (nie błony otaczającej komórkę), która działa jak swego rodzaju fabryka – gromadząca i mobilizująca różne substancje, takie jak białka i lipidy.

Kropelki magazynujące lipidy tworzą się, gdy olej zaczyna gromadzić się między dwiema warstwami błony ER, ale tylko w niektórych obszarach ER. Ostatecznie, gdy obecna jest wystarczająca ilość oleju, małe sekcje membrany odrywają się, pozostawiając olej zamknięty w samodzielnych przedziałach.

Jak pokazuje badanie w Brookhaven, badanie rośliny, w której te kropelki lipidów nie gromadzą się, może dostarczyć wskazówek na temat czynników biochemicznych napędzających proces – i tego, co jest unikalne dla poszczególnych domen ER, w których występują.

upadek genu

Aby dowiedzieć się, która mutacja spowodowała dramatyczny spadek gromadzenia się oleju, zespół Brookhaven wykorzystał technikę znaną jako klonowanie in situ – metodę przeszukiwania każdego regionu chromosomu w celu zidentyfikowania konkretnego genu odpowiedzialnego za daną cechę. Technika ograniczała poszukiwania do określonego regionu w jednym z chromosomów rośliny.

„Ten region wciąż zawiera setki genów kandydujących” – powiedział Xu.

Po zastosowaniu sekwencjonowania całego genomu w poszukiwaniu jakiejkolwiek mutacji w tym regionie, zespół zidentyfikował gen podejrzany o udział. Kody genetyczne enzymu odpowiedzialnego za pojedynczy etap biochemiczny w wieloetapowej syntezie sterolu, cząsteczki związanej z cholesterolem znajdującej się w ER i innych błonach komórkowych.

Poprzez selektywne „uderzenie” w normalną (nierozwiniętą) kopię tego genu, naukowcy byli w stanie odtworzyć efekt mutacji. To jest to, rośliny Po odjęciu genu kropelki lipidów nie kumulują się. Ponadto dodanie nierozwiniętego genu ponownie zgromadziło kropelki oleju.

„Ten eksperyment dostarczył wyraźnych dowodów na to, że sterole odgrywają zasadniczą rolę w tworzeniu kropelek oleju” – powiedział Shaw.

Ale naukowcy poszli dalej. Zbadali również, co by się stało, gdyby opracowali geny dla enzymów „powyżej” tego konkretnego enzymu w wieloetapowej ścieżce syntezy steroli. Zmierzyli poziom steroli w tych mutacjach.

Szczegółowe badania pozwoliły im skupić się na konkretnym typie sterolu, którego niedobór prowadzi do zmniejszenia gromadzenia się oleju.

Mutacje w tych samych genach spowodowały zmniejszenie akumulacji oleju w liściach i nasionach. W nasionach, gdzie łatwo dostrzec kropelki tłuszczu, naukowcy przeprowadzili również ilościowe badania ich kształtów i rozmiarów.

Łącznie wyniki dostarczają dowodów na globalną rolę tego konkretnego sterolu w tworzeniu kropelek lipidów.

„Uważamy, że ten sterol jest niezbędny do tworzenia mikrodomen w błonie ER, która bierze udział w tworzeniu kropelek lipidów” – powiedział Shaw. „niedobór sterole Prowadzi to do defektu w tworzeniu tak małej kuli.”

Teraz, gdy wiedzą, co się z nimi dzieje geny Naukowcy sugerują, że strategie włączenia go i zintensyfikowania jego ekspresji mogą być jednym ze sposobów zwiększenia gromadzenia się oleju w liściach, łodygach lub nasionach.

Zespół zbada te strategie w przyszłych eksperymentach.